Verfahren zur Herstellung von 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Her­stellung von 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure.

[0002] 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäuren ist eine bekannte Ver­bindung, die beispielsweise zur Herstellung hoch­wirksamer Insektizide verwendet werden kann (siehe z. B. DE-OS 2 658 074).

[0003] Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, geeignete Ver­fahren zur Herstellung dieser Verbindung aufzufinden. Die bislang bekennten Verfahren zur Herstellung der 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure sind jedoch, insbesondere bei ihrer Durchführung in technischem Maßstab, mit schwerwiegenden Nachteilen behaftet. Diese Verfahren erfordern beispielsweise schwer zugängliche Ausgangs­stoffe, in größerem Maßstab schwierig durchführbare Reaktionen, in technischem Maßstab schwierig handhabbare Chemikalien und/oder verlaufen wenig selektiv (siehe z. B. R.J. Harper et al., J.O.C. 29, 2385 - 2389 (1964); V.I. Vysocin et al., Zh. Obsh. Chim. 39, 1607 - 1615 (1969); G.G. Ykobson et al., Zh. Org. Khim. 10, 799 - 804 (1974); EP-A 0 060 617; D.J. Alsop et al., J. Chem. Soc. 1962, 1801 - 1805).

[0004] Es wurde nunmehr ein Verfahren zur Herstellung von 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure gefunden, das die vor­stehend aufgezeigten Nachteile der bekannten Verfahren nicht aufweist, sondern das erlaubt, die Säure aus einem gut zugänglichen Ausgangsmaterial in einfacher, auch in technischem Maßstab gut durchführbarer Reaktion herzu­stellen. Dieses Verfahren geht von der Pentafluorbenzoe­säure aus. Ein Verfahren zur Herstellung dieses Aus­gangsmaterials ist z. B. in DE-OS 3 104 259 beschrie­ben.

[0005] Es wurde überraschenderweise gefunden, daß sich das Fluoratom in 4-Stellung der Pentafluorbenzoesäure und ihrer Ester mit hoher Selektivität durch Hydrogenolyse abspalten läßt. Der Verlauf dieser Reaktion ist deshalb überraschend, da bekannt ist, daß Fluor als Substituent in aromatischen Ringen unter den normalen Bedingungen der katalytischen Hydrierung nicht hydrogenolytisch ab­spaltbar ist und daß bei der Reduktion der Pentafluor­benzoesäure mit komplexen Hydriden das in 2-Stellung befindliche Fluoratom entfernt wird.

[0006] Die Erfindung befrifft daher ein Verfahren zur Her­stellung von 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Pentafluorbenzoesäure oder deren Ester in Gegenwart üblicher Hydrierkatalysatoren hydriert.

[0007] Die Hydrierung kann gegebenenfalls in einem unter den Hydrierbedingungen inerten organischen Lösungsmittel, z. B. aromatischen oder cykloaliphatischen Kohlenwasser­stoffen, Ethern, Estern, Amiden oder Alkoholen oder aber in Wasser vorgenommen werden.

[0008] Als übliche Hydrierkatalysatoren kommen die Metalle Palladium, Kobalt, Nickel, Rhodium, Ruthenium, Iridium und/oder Rhenium in metallischer oder oxydischer Form, in Substanz oder in auf einem Katalysatorträger nieder­geschlagener Form in Betracht. Besonders bewährt haben sich palladiumhaltige Katalysatoren.

[0009] Die Hydrierung der Pentafluorbenzosäure oder deren Ester wird vorzugsweise in Gegenwart von Basen vorgenommen, um den bei der Hydrierung entstehenden Fluorwasserstoff zu binden.

[0010] Als Basen kommen sowohl organische als auch anorganische Basen in Betracht, als organische Basen seien beispiels­weise tertiäre Amine und als anorganiche Basen vor al­lem die Hydroxyde, Oxide und die Salze schwacher Säuren der Metalle der ersten, zweiten und dritten Hauptgruppe und der zweiten Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente genannt. Bevorzugt werden die Hydroxyde, Oxi­de und Salze des Natriums, Kaliums, Calciums, Magnesi­ums, Zinks und Aluminiums verwendet. Besonders bewährt haben sich als Basen Natronlauge, Kalilauge, Natriumcar­bonat, Zinkkarbonat und Natriumacetat.

[0011] Die Basen werden im allgemeinen bei der Hydrogenolyse von Pentafluorbenzoesäureestern in einer Menge von 0,9 bis 1,5, vorzugsweise 0,9 bis 1,1 Äquivalenten je Mol Pentafluorbenzoesäureester, bei der Hydrogenolyse von Pentafluorbenzoesäure in einer Menge von 1,8 bis 3,0, vorzugsweise 1,8 bis 2,1 Äquivalenten je Mol Pentafluor­benzoesäure eingesetzt.

[0012] Die Hydrierung der Pentafluorbenzoesäure kann bei Normaldruck oder erhöhtem Druck durchgeführt werden. Bevorzugt wird bei einem Wasserstoffdruck von 2 bis 100 bar, besonders bevorzugt bei einem Wasserstoffdruck von 5 bis 60 bar hydriert.

[0013] In Abhängigkeit von der Aktivität des verwendeten Ka­talysators wird die Hydrierung bei Temperaturen von 0 bis 180°C vorzugsweise bei Temperaturen von 20 bis 120°C vorgenommen.

[0014] Vorzugsweise wird die Reaktionstemperatur so gewählt, daß die Hydrierung zügig fortschreitet und innerhalb einer begrenzten Zeit, z. B. 10 bis 200 Minuten, vorzugsweise 30 bis 120 Minuten beendet ist.

[0015] Die Hydrierung kann kontinuierlich und diskontinuierlich durchgeführt werden. Die Reihenfolge, in der Pentafluor­benzoesäure, Katalysator, Base und gegebenenfalls Lösungsmittel in den Reaktor eingebracht werden, ist beliebig; es kann vorteilhaft sein, Katalysator und Pentafluorbenzoesäure im Lösungsmittel vorzulegen und die Base zuzudosieren; es kann jedoch auch günstig sein, Katalysator, Base und gegebenenfalls Lösungsmittel im Reaktor vorzulegen und die Pentafluorbenzoesäure zuzu­dosieren.

[0016] Es wurde weiterhin gefunden, daß sich die Selektivität der Hydrogenolyse der Pentafluorbenzoesäure(ester) dadurch verbessern läßt, wenn man die Hydrierung nicht mit der theoretisch erforderlichen Menge an Wasserstoff, - es sind dies 1 Mol H₂ je Mol Säure(ester) - oder einem Überschuß an H₂ vornimmt, sondern mit weniger als der stöchiometisch erforderlichen H₂-Menge, z. B. nur mit 0,9 bis 0,98 Mol H₂ je Mol Pentafluorbenzoesäure(ester) arbeitet. Durch die Hydrogenolyse mit einem Unterschuß an H₂ wird die Bildung störender, schwierig abtrennbarer Nebenprodukte vermieden.

[0017] Es wurde nämlich weiterhin gefunden, daß sich die bei der Hydrogenolyse mit einem Unterschuß an H₂ anfallende rohe 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure auf einfache Weise von der in ihr enthaltenen Pentafluorbenzoesäure be­freien läßt, wenn man die (den) rohe(n) Tetrafluorben­zoesäure(ester) zunächst mit Alkalisulfiden und an­schließend mit Oxydationsmitteln behandelt.

[0018] Zur Isolierung der rohen 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure aus den bei der Hydrierung anfallenden Reaktionsgemi­schen wird zunächst der Katalysator abgetrennt, und dann die flüssige Phase angesäuert. Die Aufarbeitung der flüssigen Phase erfolgt in an sich bekannter Weise.

[0019] Zur Reinigung wird die rohe Tetrafluorbenzoesäure mit der wässrigen Lösung eines Alkalisulfids bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise Siedetemperatur der Mischung, behandelt. Als Alkalisufide werden vorzugsweise Natrium­sulfid und Natriumhydrogensulfid verwendet. Die Menge an Alkalisulfid richtet sich nach der in der rohen Tetrafluorbenzosäure enthaltenen Menge an unumgesetzter Pentafluorbenzoesäure. Diese Menge läßt sich durch Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HLPC) bestimmen. Je Mol Pentafluorbenzoesäure wird 1 Mol Alkalisulfid benötigt; vorzugsweise wird das Alkalisulfid jedoch in einem gewissen Überschuß angewendet, so daß auf 1 Mol Pentafluorbenzoesäure 1 bis 4 Mol, vorzugsweise 1,5 bis 3 Mol Alkalisulfid entfallen.

[0020] Die Alkalisulfide werden vorzugsweise in Form wässriger Lösung angewendet; die Konzentrationen dieser Lösungen betragen 0,1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 1 - 10 Gew.-%.

[0021] Auch die Menge an Oxidationsmittel, die dem alkalischen Gemisch zugesetzt wird, das nach dem Erwärmen der rohen 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure mit der Alkalisulfid-­Lösung vorliegt, richet sich nach der Menge des in der rohen Tetrafluorbenzoesäure enthaltenen Pentafluorben­zoesäure; und zwar werden je Mol Pentafluorbenzoesäure 3 Oxidationsäquivalente benötigt; die Oxidationsmittel werden vorzugsweise in einem gewissen Überschuß ange­wendet; z. B. in einer solchen Menge, daß 3,1-5 Oxi­dationsäquivalente auf Mol Pentafluorbenzoesäure ent­fallen.

[0022] Als Oxidationsmittel seien beispielsweise genannt; Per­manganat, Wasserstoffperoxid, Chromsäure, Hypochlorite. Vorzugsweise wird Chlorlauge verwendet.

[0023] Die Oxydationsreaktion wird bei Temperaturen von 0 bis 100°C, vorzugsweise 20 bis 60°C vorgenommen.

[0024] Die Isolierung der 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure aus den alkalischen Lösungen erfolgt durch Ansäuern dieser Lö­sungen und Extraktion der sauren Lösungen mit einem mit Wasser nicht mischbaren organischen Lösungsmittel, z. B. mit Ether. In wässriger Lösung bleibt die 4-Carboxyte­trafluorbenzolsulfonsäure zurück.

Beispiel 1

[0025] 

a) 53 g Pentafluorbenzoesäure (0,25 Mol) werden mit 53 g Natriumcarbonat (0,5 Mol) in 400 ml Wasser gelöst. Die Lösung wird mit 3,5 g Palladium auf Kohle (5%-ig) versetzt und anschließend 6 Stunden bei 90°C und einem Wasserstoffdruck von 10 bis 15 bar im Autoklaven hydriert.

Der Katalysator wird von der Reaktionslösung abge­trennt und die Reaktionslösung mit konzentrierter Salzsäure auf ein pH-Wert von 1 angesäuert. Die ab­geschiedenen Kristalle werden abgesaugt. Das wäss­rige Filtrat wird mit Ether extrahiert und die Etherextrakte im Vakuum zur Trockne eingeengt. Der Katalysator wird mit 50 ml 5 %iger Natronlauge auf­gekocht; das Filtrat wird mit konzentrierter Salz­säure auf einen pH-Wert von 1 eingestellt und mit Ether extrahiert. Die vereinigten Etherextrakte werden ebenfalls im Vakuum eingeengt.

Auf diese Weise werden insgesamt 49,8 g rohe (91 %ige) 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure er­halten (= 93,3 % d. T.).

Fp.:      144 - 146°C

b) 21 g dieser rohen Tetrafluorbenzoesäure werden mit 0,3 Mol Natriumbicarbonat und 0,05 Mol Natriumsul­fid in 200 ml Wasser gelöst. Die Lösung wird 15 Stunden auf Siedetemperatur erhitzt. Anschlie­ßend wird die Reaktionsmischung abgekühlt und mit 34 g Chlorlauge (Gehalt an freiem Chlor: 13 Gew.-%) versetzt. Die Mischung wird 1 Stunde bei Raumtempe­ratur gerührt, dann mit konzentrierter Salzsäure auf einen pH-Wert von 1 angesäuert und mit Ether extrahiert. Nach dem Einengen der Etherextrakte werden 19 g 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure (96 %iges Produkt; Gehalt an Pentafluorbenzoesäure <0,05 Gew.-%) erhalten.

Fp:      146°C.

Beispiel 2

[0026] 53 g (0,25 Mol) Pentafluorbenzoesäure und 49 g Tri­ethylamin werden in 300 ml Wasser gelöst und die Lösung mit 10 g Raney-Nickel versetzt. Das Hydriergemisch wird 4 Stunden im Autoklaven bei 60°C und einem Wasserstoff­druck von 50 bar hydriert.

[0027] Das Reaktionsgemisch wird mit konzentrierter Salz­säure auf einen pH-Wert von 1 angesäuert. Die Auf­arbeitung des angesäuerten Gemisches erfolgt wie in Beispiel 1 a) beschrieben.

[0028] Ausbeute 50,3 g (Reinheitsgrad gemäß HPLC: 87 %) = 90 % der Theorie,
Fp: 132 - 134°C.

Beispiel 3

[0029] In einem Autoklaven werden 4780 g (22,5 Mol) Pentafluor­benzoesäure, 27 l Wasser, 1804 g Natriumhydroxid und 287 g Palladium-Katalysator (5 Gew.-% Pd auf Aktivkohle) vorgelegt. Die Mischung wird 1 Stunde bei 120°C und einem Wasserstoffdruck von 50 bar hydriert.

[0030] Das Hydriergemisch wird anschließend mit konzentrier­ter Salzsäure auf einen pH-Wert von 1 angesäuert und wie in Beispiel 1 a) beschrieben aufgearbeitet.

[0031] Ausbeute: 4,326 g (89 % d. T.; Reinheitsgrad gemäß HPLC: 90 %).
Fp: 139 - 141°C.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von 2,3,5,6-Tetrafluor­benzoesäure, dadurch gekennzeichnet, daß man Penta­fluorbenzoesäure in Gegenwart üblicher Hydrierkata­lysatoren hydriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hydrierung in Gegenwart von Basen vor­nimmt.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß man als Hydrierkatalysator palla­diumhaltige Katalysatoren verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß man als Base Natriumhydroxid oder Natriumcarbonat verwendet.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß man die Hydrierung in einem Lösungs­mittel vornimmt.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß man als Lösungsmittel Wasser verwen­det.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­zeichnet, daß man die Hydrierung mit weniger als der stöchiometrisch erforderlichen H₂-Menge vor­nimmt.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß man die bei der Hydrierung erhaltene rohe 2,3,5,6-Tetrafluorbenzoesäure zuerst mit Alka­lisulfiden und anschließend mit einem Oxidations­mittel behandelt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit den Alkalisulfiden und dem Oxidationsmittel in wässriger Lösung vornimmt.

10. Verfahen nach einem der Anspruch 8, dadurch ge­kennzeichnet, daß man die Alkalisulfide in einer solchen Menge anwendet, die der Menge an nicht umgesetzter Ausgangsverbindung entspricht.